Biotech e AI aiutano a vincere una sfida produttiva: è l’inizio di una rivoluzione tecnologica

Domenico Bonanni, New Technologies and Innovation Specialist presso Dompé farmaceutici, spiega come l'AI abbia trasformato non solo la ricerca ma i processi di sviluppo industriali.

Il 2018 è stato un anno di svolta per Dompé farmaceutici. “L'aumento dei volumi di vendita del nostro primo farmaco biotech, ha reso possibili investimenti in R&D che mirano a raggiugere risultati di flessibilità e produttività impensabili fino a pochi anni prima”, sottolinea Domenico Bonanni, New Technologies e Innovation Specialist presso Dompé a L’Aquila. Il principio attivo di questo medicinale è una proteina ricombinante prodotta da microrganismi geneticamente modificati, conosciuta come rhNGF (recombinant human Nerve Growth Factor, ovvero una molecola identica a quella sintetizzata naturalmente dall’organismo umano). La domanda crescente di questo nuovo medicinale per la cura di una malattia rara fino ad allora orfana di cura, ha sollevato nuovi problemi legati all’aumento dei volumi di produzione nel rispetto di rigidissimi criteri di qualità.

Migliorare la produttività e la robustezza del processo in ottica di miglioramento continuo non era una sfida semplice. Dal 2018 l’azienda produce su scala industriale l’rhNGF, estraendola dall’Escherichia coli, un batterio molto comune che vive anche nell’intestino umano. In questo microrganismo è stato inserito, mediante tecniche di biologia molecolare, una sequenza genica codificante per l’NGF umano, che gli permette di produrre la proteina d’interesse. Per raggiungere un volume di produzione sufficiente, il microrganismo geneticamente modificato (MOGM) viene fatto moltiplicare in un fermentatore, dove avvengono migliaia di cicli di divisione cellulare in pochi giorni. Al termine di questo processo il numero dei batteri sarà aumentato esponenzialmente così come la quantità di proteina ricombinante prodotta. Terminato il processo di fermentazione, la materia biologica ottenuta verrà purificata mediante passaggi ripetuti in un cromatografo per estrarre la proteina in forma pura.

“È un processo molto complesso - spiega Bonanni – e difficilmente modellabile poiché coinvolge microorganismi viventi. Di qui le difficoltà da superare per aumentare il volume del prodotto finale”. Dovendo operare con microorganismi vivi è infatti importante avere il pieno controllo dell’ambiente di crescita – terreno di coltura, pH, ossigeno, temperatura, velocità di crescita e così via - perché un’alterazione di tali parametri potrebbe compromettere la capacità dei microorganismi di sintetizzare correttamente la proteina. Va da sé che se controllare un singolo batterio è possibile, controllarne invece centinaia di milioni per millilitro cubo diventa estremamente complesso.

“Il nostro team avrebbe potuto seguire un approccio accademico sviluppando un modello analitico per descrivere (e poi controllare) il processo biologico – prosegue il ricercatore – ma, questa strada avrebbe richiesto tempi così lunghi da non essere compatibili con il nostro progetto di ricerca industriale”.

La soluzione è arrivata dalla combinazione di tecnologie proprie dell’Industria 4.0 con quelle delle biotecnologie. Il team della Dompé ha installato otto microfermentatori equipaggiati con un sistema di intelligenza artificiale, creando nell’autunno 2020 un vero e proprio impianto parallelo a quello di produzione (anche se molto più piccolo) per raccogliere e analizzare i dati di processo attraverso un sistema di intelligenza artificiale. “I processi biologici reali che si svolgono all’interno di ogni singolo fermentatore generano un flusso enorme di dati che viene utilizzato per addestrare delle Reti Neurali a riconoscere i valori ottimali dei parametri di processo e massimizzare la resa della fermentazione – spiega Bonanni - Questa modalità di apprendimento automatico, detta machine learning, è ormai la pietra miliare di molti sistemi di intelligenza artificiale utilizzati in ambito industriale”.

L’intelligenza artificiale (Ia) è quel campo della computer-science dedicato alla progettazione di sistemi hardware e allo sviluppo di soluzioni software che diano alle macchine abilità considerate finora di esclusivo dominio degli esseri viventi. Per esempio il riconoscimento visivo, la percezione di spazio-temporali e molte capacità decisionali. Per imparare ed interagire correttamente con l’ambiente circostante, oggi i sistemi di I‘acquisiscono ed elaborano informazioni in maniera continua. Dai veicoli a guida autonoma alle traduzioni in tempo reale, l’AI sta cambiando il modo in cui interagiamo, rendendo ogni interfaccia intuitiva ed “intelligente”. Non va però dimenticato che proprio per l’enorme potenziale di cambiamento, l’Intelligenza artificiale è ancora oggi una disciplina controversa. “Temo il giorno in cui la tecnologia andrà oltre la nostra umanità: il mondo sarà popolato allora da una generazione di idioti” diceva Einstein. Una paura fondata che può essere esorcizzata solo mettendo la tecnologia al servizio dell'umanità, allineando così etica e innovazione. “Ciò richiede un approccio interdisciplinare che veda riuniti sotto lo stesso tetto etici, politici e tecnici”, commenta Bonanni, e prosegue: “Solo così saremo in grado di prevedere tutte le possibili conseguenze dell’impatto di tali tecnologie ed imporre una direzione di sviluppo sostenibile al proliferare delle possibili applicazioni”.

Quello che è stato fatto con i micro fermentatori è un piccolo passo in questa direzione. Grazie a un progetto all’avanguardia, co-finanziato dal Ministero per lo Sviluppo Economico italiano, è stato possibile mettere insieme matematica, biologia, ingegneria ed AI, ma soprattutto, e senza darlo per scontato, l’intelligenza umana.

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